Формирование термического режима вод заливов Западного Шпицбергена

Павлов, Алексей Кириллович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Формирование термического режима вод заливов Западного Шпицбергена
ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Формирование термического режима вод заливов Западного Шпицбергена"

АРКТИЧЕСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

005007046

Павлов Алексей Кириллович

ФОРМИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВОД ЗАЛИВОВ ЗАПАДНОГО ШПИЦБЕРГЕНА

Специальность 25.00.28 - океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

1 2 ЯНВ 2012

Санкт-Петербург - 2011

005007046

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт»

Научный руководитель:

кандидат географических наук, доцент ИВАНОВ Борис Вячеславович Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук ТИМОХОВ Леонид Александрович кандидат физико-математических наук СЫЧЕВ Виталий Иванович

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ), факультет географии и геоэкологии, кафедра океанологии

Защита диссертации состоится «16» февраля 2012 г. в 13 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 327.002.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при ФГБУ «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт» по адресу: 199397, Санкт-Петербург, ул. Беринга, д. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт».

Автореферат разослан «29» декабря 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кандидат географических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы обусловлена недостаточной изученностью процессов и механизмов формирования термического режима в водах заливов (фьордов) Западного Шпицбергена. Специфика региона заключается в многообразии внешних и внутренних факторов, определяющих термический режим поверхностного, промежуточного и придонного слоев заливов архипелага. Термический режим поверхностного слоя связан с пространственно-временным распределением оптических свойств вод, которое, в свою очередь, во многом определяется биологическими процессами, протекающими в водах Западного Шпицбергена. Вследствие непосредственной близости к Западно-Шпицбергенскому течению (ЗШТ), фьорды Западного Шпицбергена оказываются под влиянием теплых и соленых Атлантических вод (АВ). Периодическое проникновение АВ на шельф и во внутренние воды Западного Шпицбергена обуславливают термический режим промежуточных и придонных слоев. Исследования, выполненные в ходе данной работы, позволяют количественно описать закономерности формирования термического режима вод заливов Западного Шпицбергена, и имеют как теоретическое, так и прикладное значение. Результаты могут быть использованы для оценки климатических изменений в Ссверо-Европейском бассейне (СЕБ) Северного Ледовитого океана (СЛО), а также для оценки биопродуктивности и экологического состояния вод.

Пристальное внимание специалистов различных дисциплин к этому району вызвано, так называемым «полярным усилением глобального потепления» в Арктике. Пролив Фрама является ключевым регионом, поскольку через него осуществляется основной теплообмен между СЕБ и Арктическим бассейном (АБ), и осуществляется вынос основной массы многолетних льдов из центральной части АБ. По некоторым оценкам, поступление тепла с ЗШТ через пролив Фрама в несколько раз превышает поступление тепла в АБ, осуществляемое через Баренцево море. Таким образом, океанографические процессы, протекающие в проливе Фрама, могут служить косвенными и прямыми индикаторами наблюдаемых и ожидаемых климатических изменений в Арктике.

Значительный интерес представляют исследования и региональных особенностей океанографического режима собственно во фьордах Западного Шпицбергена. Океанографические условия здесь обусловлены сложным характером взаимодействия между водами ЗШТ, шельфовыми водами баренцевоморского происхождения, материковым стоком и метеорологическим режимом. Это приводит к значительным изменениям ледового режима, локальных климатических условий и функционирования морских экосистем фьордов. Последнее обстоятельство приковывает внимание специалистов в области морской биогеохимии, биологии и экологии, так как фьорды, по общему мнению, являются идеальными научными объектами для исследования воздействий потепления в Арктике на функционирование и трофическую структуру полярных морских экосистем.

Целью исследования является выявление и анализ закономерностей и особенностей формирования термического режима вод в заливах Западного Шпицбергена.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) Проведение специальных океанографических и гидрооптических наблюдений, отбор и лабораторный анализ проб морской воды;

2) Сбор и критический анализ всей доступной океанографической информации, имеющейся для заливов Западного Шпицбергена;

3) Описание закономерностей пространственно-временного распределения гидрооптических характеристик вод в заливах Западного Шпицбергена и прилегающей акватории пролива Фрама;

4) Изучение процессов перераспределения солнечной радиации и радиационного прогрева в поверхностном слое исследуемых районов;

5) Анализ долгопериодной изменчивости температуры промежуточных и придонных вод в заливах Западного Шпицбергена и возможных механизмов ее формирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Впервые в отечественной практике произведена оценка пространственно-временного распределения оптических свойств вод в заливах Западного Шпицбергена и прилегающем районе пролива Фрама;

2) Выполнена оценка проникновения солнечной радиации и потенциального радиационного прогрева поверхностного слоя моря с учетом выявленного распределения гидрооптических характеристик;

3) Сформирован и проанализирован архив данных по температуре вод в заливах Исфьорд и Гренфьорд за период 1912-2009 гг.;

4) Выявлены особенности многолетней изменчивости температуры Атлантических вод в промежуточном и придонном слоях в заливах Исфьорд и Гренфьорд, и предложено регрессионное соотношение, количественно описывающее механизм формирования наблюдаемой изменчивости.

Практическая значимость работы

Сведения о пространственно-временном распределении оптических свойств поверхностных вод, являются потенциальной основой для расчета биологической продуктивности и математического моделирования морских экосистем в данном районе, а также являются важной информацией для уточнения региональных алгоритмов расчета концентраций хлорофилла по данным спутниковых измерений. Полученные оценки многолетней изменчивости температуры в промежуточном и придонных слоях в заливах Западного Шпицбергена, являются основой для проведения сравнительных гидробиологических и экосистемных исследований в данном регионе в дальнейшем. Предложенные и описанные механизмы изменчивости температуры в промежуточном и придонном слоях вносят вклад в общее понимание процессов взаимодействия между ЗШТ и прибрежными водами Западного Шпицбергена.

Положения, выносимые на защиту

1) Оценки относительного вклада основных оптически-активных составляющих морской воды (желтого и взвешенного веществ) в суммарное поглощение солнечной радиации в поверхностном слое;

2) Оценки потенциального радиационного прогрева поверхностного слоя моря на исследуемой акватории;

3) Типизация водных масс заливов Западного Шпицбергена на основе новых данных о гидрооптических свойствах вод;

4) Количественные оценки многолетней изменчивости температуры промежуточного и придонного слоев в заливах Исфьорд и Гренфьорд;

5) Механизм связи температуры промежуточных и придонных вод залива Исфьорд с температурой воды в ядре ЗШТ и перепадом атмосферного давления к западу от архипелага Шпицбергена.

Личный вклад автора

1) Непосредственное участие в проведении океанографических и гидрооптических наблюдений в рамках девяти экспедиций на арх. Шпицберген, как с борта научно-исследовательских судов, так и с припайного льда фьордов, включая первые, в отечественной практике работ на архипелаге Шпицберген, измерения оптических свойств вод in situ с помощью новейшего спектрального оборудования;

2) Сбор и анализ архивных океанографических данных для заливов Гренфьорд и Исфьорд;

3) Проведение лабораторных анализов собранных проб (спектро-фотометрические измерения оптических свойств растворенных и взвешенных веществ) в лабораториях Университетского Центра на Шпицбергене (UNIS), Норвежском полярном институте (г. Тромсе, Норвегия) и университете г. Аархус (Дания);

4) Обработка экспедиционных данных и данных лабораторных измерений, и разработка оригинальных алгоритмов и программного обеспечения (в среде MatLab) для расчетов перераспределения солнечной радиации и радиационного прогрева поверхностного слоя моря.

Апробация результатов диссертации

Основные результаты докладывались и обсуждались на секциях Ученого совета ААНИИ, семинарах отдела взаимодействия океана и атмосферы и семинарах совместной российско-норвежской лаборатории по исследованию климата Арктики им. «Фрама» (2009-2011 гг.), и также были представлены на нескольких российских и международных конференциях:

1) Arctic Science Summit Week (Берген, Норвегия, 2009 г. и Сеул, Южная Корея, 2011 г.);

2) Arctic Frontiers Conference (Тромсе, Норвегия, 2009, 2010, 2011 гг.);

3) IPY Oslo Science Conference (Осло, Норвегия, 2010 г.);

4) Комплексные исследования природы архипелага Шпицберген (Мурманск, Россия, 2008 г., 2010 г., 2011 г.);

5) Международная научная конференция «Морские исследования полярных

областей Земли в международном полярном году 2007/2008 гг.» (Санкт-

Петербург, Россия, 2010 г.).

Публикации

По материалам диссертации автором опубликовано 9 работ, в том числе 3 публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из списка используемых сокращений, введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы общим объемом 196 наименований и содержит 161 страницу машинописного текста, 18 таблиц и 47 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы исследования, отмечается ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цель, задачи исследования, и представлены положения, выносимые на защиту. Также содержатся сведения об апробации основных научных результатов, структуре и объему диссертационной работы.

В разделе 1.1 первой главы дано физико-географическое описание района исследования, включая описание климатических условий на архипелаге Шпицберген. Подчеркнута особенность расположения региона, заключающаяся в близости прохождения ядра теплого ЗШТ. Другой характерной особенностью архипелага Шпицберген является наличие характерного типа заливов — фьордов, форма и размеры которых обуславливают гидродинамические процессы, вертикальную термическую и халинную структуры. Наличие верхнего распресненного слоя и нижележащего пикноклина (термоклина, галоклина) позволяет рассматривать процессы эволюции термических свойств вод в таких фьордах, в первом приближении, как в двухслойном по вертикали бассейне (Cottier et al., 2007). В поверхностном слое эволюция температуры обусловлена взаимодействием океана и атмосферы (радиационным прогревом и охлаждением) и материковым стоком. В то же время в промежуточном и придонном слоях эволюция температуры обусловлена адвекцией вод атлантического происхождения извне (Teigen et al., 2011).

В разделе 1.2 представлена как предшествующая информация о формировании океанографических условий в заливах Западного Шпицбергена и прилегающей акватории пролива Фрама, так и результаты недавних исследований. Рассмотрены основные водные массы региона. Для пролива Фрама характерны воды арктического и атлантического происхождения, в то время как в заливах Западного Шпицбергена океанографические условия определяются балансом между взаимодействующими водами атлантического и баренцевоморского происхождения, местными водами и материковым стоком (Svendsen et al., 2002). Это обуславливает необходимость использования в работе региональной классификации водных масс, отличающейся от классификации

поверхностных и промежуточных вод в проливе Фрама. Описываются основные механизмы проникновения Атлантических вод (AB) на шельф и во фьорды Западного Шпицбергена, и подчеркивается существенная роль атмосферного воздействия в этих процессах (Cottier et al., 2007; Teigen et al., 2011). В последнее десятилетие наблюдается как интенсификация и потепление ядра ЗШТ (Walczowski & Piechura, 2007), так и значительное потепление промежуточного и придонного слоев во фьордах Западного Шпицбергена, оказывающее определяющее влияние на функционирование морских экосистем. Отмечается потребность в данных длительных наблюдений за температурой промежуточных и придонных вод и их анализе для прикладных биологических исследований в водах Западного Шпицбергена (Berge et al., 2009).

В разделах 1.3-1.4 кратко приведена информация о первичных и вторичных оптических характеристиках, оптических свойствах морской воды и основных факторах, их определяющих. Рассматриваются спектральные оптические свойства чистой морской воды, желтого вещества, фитопланктона, детрита (Smith & Baker, 1981; Bricaud et al., 1981; Babin et al., 2003; Шифрин, 1981). Рассматривается вклад различных составляющих в процессы поглощения солнечной радиации и радиационного прогрева в поверхностном слое моря в водах СЛО в целом и в водах Западного Шпицбергена, в частности. Процессы поглощения радиации в поверхностном слое, в основном, обусловлены содержанием и свойствами желтого вещества и взвеси органического и неорганического происхождения (Pegau, 2002; Hill, 2008). На основе анализа литературных данных о распределении гидрооптических свойств сделано заключение, что на сегодняшний день воды СЛО являются наименее изученными по сравнению с другими районами Мирового океана.

Вторая глава посвящена методическим аспектам работы. Значительное место в диссертационной работе посвящено прямым измерениям и отбору проб in situ, и их дальнейшему лабораторному анализу. Также часть исследования посвящена работе с архивными океанографическими данными и данными реанализа. Район исследований представлен на рисунке 1.

Раздел 2.1 посвящен методике гидрооптических измерений. Основной объем натурных данных об оптических свойствах вод был собран непосредственно автором в ходе девяти экспедиций в водах архипелага Шпицберген. Полученные данные содержат информацию об относительной прозрачности водной толщи (глубина исчезновения стандартного белого диска Секки), измеренных величинах подводной интегральной и спектральной облученностей. Также были собраны пробы морской воды для лабораторных определений оптических свойств растворенного и взвешенного веществ.

Подводные гидрооптические измерения с целью описания распределения подводной радиации производились с помощью спектральных радиометров RAMSES (TriOS, Германия) в диапазоне длин волн 320-950 нм, и с помощью интегральных датчиков LI-192SA (LiCOR, США), в диапазоне фотосинтетически активной радиации (ФАР, 400-700 нм) от поверхности до глубин порядка 45 м. Для учета изменений освещенности водной поверхности проводились

параллельные измерения приходящей к поверхности солнечной радиации с помощью аналогичных датчиков.

Sqo

Рисунок 1 - Район исследований Примечание: К - Конгсфьорд, И - Исфьорд, Г - Гренфьорд, С - разрез Соркапп, 76° с.ш. 1, 2, 3 - узлы сетки реанализа ERA.

Отбор проб для определения свойств поглощения желтым веществом и взвесью осуществлялся с помощью батометров Нискина на стандартных горизонтах. Пробы для определения спектров поглощения желтым веществом были профильтрованы через двойные мембранные фильтры Pall Acrodisc (0,2-0,8 мкм) и, в дальнейшем, хранились при температуре + 4 °С. Пробы для определения спектра поглощения взвешенным веществом фильтровались через фильтры Whatman GF/F (0,7 мкм). Фильтры со взвесью хранились при температуре - 80 °С до проведения лабораторного анализа.

Спектры поглощения желтым веществом были получены с помощью спектрофотометров Shimadzu UV-2450 в Норвежском Полярном институте (г. Тромсе, Норвегия), Университетском Центре на Шпицбергене (UNIS) и Университете г. Аархуус (Дания), следуя методике, описанной в работе (Stedmon & Markager, 2001). Определение спектров поглощения взвешенным веществом осуществлялось при помощи аналогичного спектрофотометра, оснащенного интегрирующей сферой, следуя методике (Tassan & Ferrari, 2002) и с учетом так называемой «бета коррекции», следуя работе (Arbones et al., 1996). Спектры поглощения желтым веществом и взвесью анализировались в пределах 350-700 нм. Границы диапазона обусловлены наличием шумов в спектрах поглощения взвесью на длинах волн менее 350 нм и минимальным поглощением в обоих спектрах в длинноволновой области (более 700 нм).

В разделе 2.2 описан подход к совместному анализу данных о тсрмохалинных характеристиках и оптических свойствах вод. Для заливов Западного Шпицбергена использовалась классификация водных масс из работ (Svendsen ct al., 2002; Cottier et al., 2005) и для прилегающей акватории пролива Фрама классификация из работы (Swift & Aagaard, 1981).

В разделе 2.3 описана методика расчетов перераспределения солнечной радиации и потенциального радиационного прогрева в поверхностном слое моря. Расчет производился спектрально для слоя 0-50 м. Суммарный спектр поглощения морской водой был рассчитан как сумма измеренных спектров поглощения желтым веществом и взвесью, а также спектра поглощения чистой морской водой, взятого из работы (Smith & Baker, 1981). Данные со стандартных горизонтов были интерполированы с дискретностью 1 м по вертикали. С целью возможности сравнения с работами других авторов, были использованы спектры приходящей радиации в диапазоне 350-700 нм, полученные с помощью модели SBDART (Ricchiazzi et al., 1998). Альбедо поверхности моря этом диапазоне длин волн было получено с помощью модели COART (Jin et al., 2004). Расчет вертикальных профилей спектральной облученности был осуществлен в соответствии с соотношениями (1-2). Величины потенциального радиационного прогрева (ДТ), предполагающего отсутствие других механизмов поступления и оттока тепла, были рассчитаны спектрально по уравнениям (3-5), и затем были проинтегрированы по всему диапазону длин волн (350-700 нм) для каждого горизонта (Ohlmann et al., 2000).

ВД = Е0"(Л) х (1)

Ео(Х) — ах Ед(Л) (2)

£-(Я,0)-Еп(Я,г) м(я'г)=-- (3)

Еп (Я, г) = Еа (Я, г) - Еи (Я, г) (4)

,■£=244

ДТ = I ДЕ(г, 0 х (И (5)

Л=о

где Е2(А) - облученность сверху на глубине г, а - альбедо поверхности моря в диапазоне 350-700 нм, Ед (Я) — спектральная облученность сверху над поверхностью моря (Вт/(м2 нм), £0~(Я) — спектральная облученность сверху под поверхностью моря (Вт/(м2 нм), Ка(Х) — спектральный показатель диффузного ослабления подводной облученности (м"1), р — плотность морской воды (кг м"3), Ср - удельная теплоемкость морской воды (Дж/(кг град)), Е„ (А, 0) - полный поток облученности иод поверхностью моря (Вт/(м2 нм)), Еп(А, г) - полный поток

облученности на глубине z (Вт/(м2 нм)), Еи (Я, z) - облученность снизу на глубине z (Вт/(м2 нм)), ДЕ - радиационный прогрев в единицу времени (град/с), ДТ -радиационный прогрев (град).

Разделы 2.4-2.5 посвящены описанию, использовавшихся в работе архивных океанографических данных и данных реанализа ERA. В диссертации использовались следующие базы данных: ICES (Дания), ВНИИГМИ-МЦЦ (Россия) и ААНИИ. Была проделана значительная методическая работа по выборке данных по пространству, времени (сезонам) и горизонтам. В итоге были выделены два района, наилучшим образом обеспеченных данными наблюдений -внешняя часть залива Исфьорд и залив Гренфьорд (рис. 1). Были использованы данные с более чем 500 океанографических станций за период с 1912 по 2009 гг. В работе анализировались временные ряды максимальной температуры в промежуточном и придонном слоях (слоях распространения АВ) для осенних месяцев с августа по октябрь. При анализе не учитывались глубины менее 100 м для залива Исфьорд, и менее 75 м для залива Гренфьорд, чтобы исключить прямое влияние материкового стока и радиационного прогрева поверхностного слоя.

Для проверки гипотезы об определяющем влиянии северных ветров на неустойчивость ЗШТ и дальнейшее распространение АВ во фьорды (Cottier et al., 2007), рассмотренной в главе 5, были использованы данные реанализа ERA (средние значения за август-октябрь за период 1977-2009 гг.) о разности приземного атмосферного давления (ПАД) в узлах сетки с координатами 78° с.ш., 0° в.д. (точка 1, рис. 1) и 78° с.ш., 15° в.д. (точка 2), как индикатора меридиональной составляющей скорости ветра в районе ядра ЗШТ (точка 3). Реанализ ERA за рассматриваемый период состоит из двух продуктов: ERA 40 и ERA Interim, охватывающих временные интервалы 1977-2002 гг. и 1989-2009 гг., соответственно. Проведенный сравнительный статистический анализ, позволил обосновать их совместимость для данного района. Для совместного использования с данными реанализа были выбраны данные о средней температуре ядра ЗШТ на разрезе Соркапп (рис. 1) вдоль 76° с.ш. в осенние месяцы и для глубин 50-250 м, полученные в Институте морских исследований (г. Берген, Норвегия).

Третья глава посвящена описанию гидрооптических свойств вод, как основного фактора, обуславливающего процессы радиационного прогрева поверхностного слоя в водах Западного Шпицбергена.

В рамках раздела 3.1 рассмотрено распределение оптических свойств в различные сезоны и в различных фьордах архипелага Шпицберген: Конгсфьорд, Исфьорд, Гренфьорд, Биллефьорд и прилегающей акватории пролива Фрама по результатам экспедиционных исследований в 2008-2010 гг.

Выявлены существенные различия в поглощении желтым веществом и взвесью между ЗШТ и ВГТ осенью 2009 и 2010 гг. в слое 0-100 м. По абсолютным значениям, показатель поглощения желтым веществом на длине волны 440 нм (асоом(440)) в пределах ВГТ на порядок превышает значения 3cdom(440) для АВ в ядре ЗШТ. Эта закономерность объясняется высоким

содержанием желтого вещества речного происхождения в ядре BIT, поступающего из АБ. Установлено, что показатель поглощения желтым веществом, ааюм(^) может рассматриваться как дополнительный трассер при анализе водных масс региона в силу его консервативности распределения в их пределах. Наибольшие значения показателей поглощения взвешенным веществом (аР(440)) были приурочены к районам фронтальных зон. В целом, показано, что распределению взвешенного вещества не свойственна консервативность и оно во многом определяется локальными изменениями содержания фитопланктона и мезомасштабной изменчивостью.

Ранней весной, при наличии припайного льда, спектральный состав и интенсивность подводной облученности обусловлены селективным ослаблением солнечной радиации при прохождении через лед и снег (Grenfell et al., 2006). В подледном слое поглощение желтым веществом и взвесью невелико и сравнимо с открытыми районами Мирового океана (Bricaud et al., 2010). Для залива Биллефьорд показано, что подобные условия имеют тенденцию к быстрым изменениям в конце весны, связанным с разрушением припайного льда и адвекцией вод с высоким содержанием фитопланктона со свободных ото льда районов прилегающего шельфа. В результате выявлена сильная зависимость между полученными оценками спектральных и интегральных показателей вертикального ослабления радиации и распределением хлорофилла в поверхностном слое.

Глубина фотического слоя для диапазона ФАР, нижняя граница которого определяется глубиной, которую достигает 1% света, проникающего через поверхность океана, варьируется в широких пределах с минимумом во внутренних частях фьордов, не превышающим 10 м, и максимумом на континентальном шельфе (> 25 м). Также глубина фотического слоя варьируется сезонно с минимумом в летние месяцы, при максимальном материковом'стоке и интенсивном цветении фитопланктона.

Раздел 3.2 обобщает результаты исследования изменений оптических свойств поверхностных вод вследствие местной (автохтонной) продукции желтого вещества в ' весенне-летний период во время пика цветения фитопланктона. Данные получены в ходе эксперимента ЭПОКА в заливе Конгсфьорд в июне-июле 2010 г. при сотрудничестве с Центром Климатических Исследований им. Бьеркнеса (г. Берген, Норвегия). Основная цель подобных экспериментов заключается в изучении динамики экосистем под воздействием увеличенного парциального давления углекислого газа в водной толще и, как следствие, пониженных значений водородного показателя (рН) в морской воде (т.е. закислепия). Методологически эксперимент заключался в установке больших плавучих емкостей (мезокосмов) в поверхностных водах фьорда и искусственном поддержании различных концентраций парциального давления углекислого газа, и добавлении питательных веществ для воспроизведения пика цветения фитопланктона (Gattuso et al., 2009). В ходе эксперимента проводился регулярный отбор проб ' для определения совокупности параметров и характеристик, описывающих биогеохимическое состояние рассматриваемой экосистемы.

В результате было установлено, что для трех исследуемых мезокосмов, увеличение показателя поглощения желтым веществом составило 1,4-2,2 % в сутки, что соответствует увеличению на 25 % за средний по продолжительности период цветения фитопланктона (около 2-х недель). Кроме того, данное увеличение проявляется наиболее сильно при более высоких концентрациях углекислого газа. Следовательно, можно предположить, что в ближайшие десятилетия в водах арх. Шпицберген и в целом в Арктике можно ожидать, что на фоне роста парциального давления углекислого газа в атмосфере, при прочих равных условиях, последует увеличение продукции желтого вещества в летний период и, тем самым, изменение оптических свойств поверхностных вод с возможными последствиями для их радиационного прогрева. Особенно актуальным данный вывод представляется для акваторий, находящихся под относительно слабым влиянием поступления желтого вещества речного происхождения.

В разделе 3.3 приводятся результаты совместного анализа термохалинных характеристик и оптических свойств вод. Обобщены натурные данные о спектрах поглощения желтым веществом и взвесью, и представлены в виде таблиц для различных водных масс заливов Западного Шпицбергена и прилегающих районов пролива Фрама. Как и в разделе 3.1, показана консервативность распределения спектров поглощения желтым веществом для различных водных масс. Для заливов Западного Шпицбергена предложен метод более надежного выделения схожих по своим термохалинным характеристикам арктической водной массы (АрВ) баренцевоморского происхождения и локальных водных масс (местная и зимняя водные массы), образующихся в результате осенне-зимней конвекции во фьордах (ЫИвеп ^ а1., 2008). Так значения аспОм(350) для АрВ в 2,5 раза превышают аспом(350) для местной и зимней водных масс. С учетом среднеквадратичных отклонений, аСцом(^) для диапазона 350-400 нм, и на более коротких длинах волн, является надежным критерием выделения этих водных масс (рис. 2).

В разделе 3.4 исследуется характер межгодовой изменчивости относительной прозрачности по диску Секки в заливе Гренфьорд. Используется массив данных за период 1986-1990 гг. для летних и осенних месяцев. Анализ данных рядов в совокупности с данными о режиме осадков и толщинах ледового покрова позволил выявить основные закономерности межгодовой изменчивости относительной прозрачности. Установлено, что прозрачность вод закономерно увеличивается от южной части залива до его глубоководной части на севере, причем в отдельные годы (1988 и 1990 гг.) это увеличение может достигать 100%. Сезонная и межгодовая изменчивость относительной прозрачности, в первом приближении, обусловлена изменчивостью внешних метеорологических и океанографических факторов и, в первую очередь, режимом осадков.

о. о

(A)

ПВ

j AB [

32 32.5 33 33.5 34 34.5 Соленость, пшс

35 35.5

0.35

¡5

0.3

¡5

3) 0.25

о 0.2

¡с

с, ф 0.15

СО со

о 0.1

t АрВ

l\ - MB

> \ \ .......... ЗВ

(Ь) : .......................... ^^ä^&ir^saw. " ........: • 1 ——

350 400 450

500 550 Длина волны, нм

600

650

700

Рисунок 2 - T/S диаграмма водных масс, встречающихся во фьордах Западного Шпицбергена (а) и средние (± среднеквадратичное отклонение (СКО)) спектры поглощения желтым веществом для зимней (ЗВ), местной (MB) и арктической (АрВ) водных масс (б). Классификация водных масс в соответствии с работой

(Cottier et al., 2005).

В четвертой главе рассмотрены процессы перераспределения солнечной радиации с глубиной и получены оценки потенциального радиационного прогрева поверхностного слоя моря.

В разделе 4.1 рассматриваются общие вопросы поглощения солнечной радиации в различных спектральных диапазонах. Обосновывается преимущество применения спектрального подхода по сравнению с интегральным при расчете вертикального распределения подводной облученности. Для заливов Западного Шпицбергена и прилегающей акватории пролива Фрама оценен относительный вклад в суммарное поглощение для различных длин волн. На рисунке 3 графически представлена так называемая тернарная диаграмма, показывающая относительный вклад трех составляющих (чистая вода, желтое вещество, взвесь) в суммарное поглощение на примере одной из станций в водах Западного Шпицбергена.

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9

Взвесь

Рисунок 3 - Относительный вклад в суммарное поглощение трех составляющих: чистая вода, взвесь и желтое вещество в зависимости от длины волны (шкала справа - длины волн в нм)

Разделы 4.2-4.3 посвящены расчету проникающей солнечной радиации и оценкам потенциального радиационного прогрева в поверхностных водах Западного Шпицбергена и на прилегающей акватории пролива Фрама. Вычисления производились по упрощенной экспоненциальной модели

(уравнения 1-5), которая была адаптирована для использования собранных автором данных о спектрах поглощения желтым веществом и взвесью. Совместное рассмотрение основных характеристик верхнего слоя моря (0-50 м), таких как средние вертикальные профили температуры, солености, показателей поглощения желтым веществом и взвесью на длине волны 440 нм, рассчитанные профили подводной облученности в диапазоне 350-700 нм и оценки потенциального радиационного прогрева вод в районах ВГТ и ЗШТ (рис. 4), позволило выявить некоторые важные закономерности.

Фотический слой, нижняя граница которого определяется глубиной, которую достигает 1% света, проникающего через поверхность океана, не превышал 40-50 м для диапазона ФАР, что согласуется с результатами, приведенным для географически близких районов (Cota et al., 1994; Rey et al., 2000). Насколько нам известно, впервые для исследуемого района удалось выявить значительные различия в оптических свойствах поверхностных вод. Однако особенности вертикального распределения показателей поглощения желтым веществом и взвесью таковы, что эти характеристики компенсирует друг друга, если рассматривать их совместный вклад в суммарное поглощение (рис. 4 в, г). В результате, в осенний и летний периоды характер вертикального распределения подводной облученности практически одинаков в водах ВГТ и ЗШТ в диапазоне ФАР и различен в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. Эти особенности проявляются и в схожем характере и интенсивности прогрева поверхностных вод ВГТ и ЗШТ, и заливах Шпицбергена.

Получены новые результаты, важные для исследования биологических процессов. Распределение подводной облученности в УФ части спектра неодинаково в рассматриваемых районах. За счет более сильного поглощения желтым веществом в водах ВГТ глубина фотического слоя в УФ области почти вдвое меньше по сравнению с ЗШТ (14 и 27 м в 2009 г.; 17 и 23 м в 2010 г.). Известно, что ультрафиолетовое излучение в диапазонах 315-400 нм (УФ-А) и 280-315 нм (УФ-В) имеет большое значение для биогеохимических процессов, фотосинтеза и фотохимических преобразований морского органического вещества (Tedetti et al., 2006). При этом УФ-В излучение оказывает негативное воздействие на морские организмы (Gao et al., 2007). Следовательно, при схожих режимах подводной облученности в диапазоне ФАР подобная «защита» от УФ излучения обеспечивает наиболее благоприятные условия для развития фитопланктона и других морских организмов в районе ВГТ, чем в районе ЗШТ.

Также в данном разделе предложен оригинальный метод графического представления и интерпретации процессов радиационного прогрева в поверхностном слое. Рассмотрены интегральное и спектральное соотношения вертикальных профилей радиационного прогрева (рис. 4 е, ж). Так, величины ДЕвп/ДЕзш г, превышающие 1,0, означают, что на данной глубине большее количество радиации поглотится в пределах ВГТ по сравнению с ЗШТ, и наоборот, для значений ДЕвп/ДЕ-лт, меньших 1,0. При условии, что известны спектры поглощения желтым веществом и взвесью, рассмотрение спектральных соотношений радиационного прогрева ДЕвгт/ДЕзшт позволяет объяснить механизмы, определяющие радиационный прогрев в водной толще.

| 20 5 Ю

£ 40

0 2 4 1 Температура, оС

0 0.05 0.1 Acdom!440), 1/м

32 34

Соленость, пшс

0,05 0.1 Ар(440). 1/м

(лЬ|1п'Дк.!Ш1

400 500 600 700 Длина волны,ни

Рисунок 4 - Осредненные профили температуры (А), солености (Б), показателей поглощения желтым веществом (В) и взвесью (Г) для района ВГТ (светло-серый) и ЗШТ (темно-серый) в 2010 г. (пунктиром обозначено СКО), подводная облученность в диапазоне 350-700 нм (Д), отношение интегрального (Е) и спектрального (Ж) радиационного прогрева между ВГТ и ЗШТ

Оценки потенциального радиационного прогрева за сутки были получены для четырех районов: заливов Западного Шпицбергена - Конгсфьорд и Исфьорд, ЗШТ и ВГТ для июля и сентября — месяцев, когда были собраны натурные данные об оптических свойствах вод (табл. 1). Для поверхностного слоя 0-1 м значения потенциального радиационного прогрева составили 0,63-0,68 градуса в сутки. Наибольший прогрев наблюдался в заливе Конгсфьорд, что обуславливается большим по сравнению с заливом Исфьорд стоком талых вод и речного стока непосредственно в залив. Толщина верхнего перемешанного слоя варьировалась в пределах 20-30 м, соответственно его радиационный прогрев составил 0,125-0,176 градусов в сутки.

Таблица 1 Потенциальный радиационный прогрев за сутки (град/сутки * 10) в сентябре и июле для различных горизонтов, на основе данных 2010 гг.

Диапазон Конгсфьорд, Исфьорд, ЗШТ, ВГТ,

глубин, м Июль Июль Сентябрь Сентябрь

0-1 6,81±1,20 6,30±1,25 1,28±0,29 1,28±0,28

0-2 5,95±1,12 ' 5,56±1,15 1,13±0,27 1,12±0,26

0-5 4,27±1,01 4,09±1,04 0,83±0,24 0,81±0,23

0-10 2,88±0,82 2,81±0,85 0,56±0,19 0,55±0,18

0-20 1,76±0,60 1,72±0,63 0,33±0,12 0,33±0,11

0-30 1,25±0,37 1,22±0,39 0,23±0,07 0,23±0,06

0-50 0,78±0,23 0,75±0,24 0,14±0,04 0,14±0,04

2-5 3,15±0,86 3,10±0,88 0,63±0,21 0,61±0,20

5-10 1,50±0,41 1,54±0,42 0,29±0,09 0,29±0,08

10-30 0,44±0,17 0,43±0,17 0,07±0,03 0,08±0,03

30-50 0,09±0,02 0,06±0,03 0,00±0,00 0,00±0,00

Для районов ЗШТ и ВГТ, в сентябре прогрев в слое 0-1 м составил 0,12-0,13 градуса в сутки. Толщина верхнего перемешанного слоя составляет в среднем около 10 м как в районе ВГТ, так и ЗШТ. Таким образом, величина прогрева этого слоя составляет, порядка, 0,05 - 0,06 градуса в сутки. Полученные результаты сравнимы с оценками радиационного прогрева, выполненными для других регионов Арктики - Карского моря (Власенков и др., 2010) и несколько ниже оценок, полученных для Чукотского моря в работе (Hill et al., 2008), что, по-видимому, объясняется более высоким поглощением желтым веществом и взвесью в том районе.

Пятая глава посвящена исследованию изменчивости температуры промежуточных и придонных вод в заливах Исфьорд и Гренфьорд, которая обусловлена периодическими затоками (адвекцией) Атлантических вод из ЗШТ. В отличие от поверхностного слоя, наибольший интерес с точки зрения прикладных исследований, представляет анализ многолетней изменчивости температуры.

В разделе 5.1 проведен анализ собранных временных рядов о максимальной температуре воды за период 1912-2009 гг. для заливов Исфьорд и Гренфьорд (рис. 5, табл. 2). Выявлены статистически значимые (р < 0,05) линейные тенденции потепления для обоих фьордов с близкими значениями трендов: (-0,19 °С / десятилетие для Исфьорда и -0,21 °С / десятилетие для Гренфьорда), что соответствует общему потеплению порядка 1,9 '°С и 2,1 °С за исследуемый период 1912-2009 гг.' Потепление-в водах Западного Шпицбергена носит квазиустойчивый характер. Временные ряды содержат пропуски в середине XX века. Наилучшая Г обеспеченность данными • океанографических наблюдений приходится на два периода 1920-1940 гг. и 1990-2009 г., являющихся известными периодами потепления в Арктике (Polyakov et al., 2004). Результат расчета t-

критерия Стьюдента по принадлежности двух выборок к единой генеральной совокупности по критерию Ш] = т2 показал, что существуют статистически значимые (р<0,005) различия между средними значениями этих периодов потеплений.

1920 1940 1960 1980 2000

Годы

Рисунок 5 - Временные ряды максимальной температуры промежуточных и придонных вод, и соответствующие им линейные тренды за 1912-2009 гг. (а); Максимальная температура вод для глубин 100 м - дно, 100-200 м и более 200 м с соответствующими линейными трендами (б).

Из рисунка 5 следует, что аномально высокие температуры были зарегистрированы в начале XXI века. Так, в заливе Исфьорд, наибольшая температура превысила 6 °С в 2006 г., что на один градус выше предыдущих теплых периодов в анализируемых временных рядах (второй по величине пик наблюдался в 1980-х гг.). Схожая картина наблюдается и для залива Гренфьорд, но с меньшей амплитудой. Эти результаты хорошо согласуются с сообщениями о потеплении ЗШТ за аналогичный период ^акгоугекл & Р1есЬига, 2007) и результатами палеоокеанографических исследований за последние 2000 лет (8р1е11^еп е! а1., 2011).

Таблица 2 — Результаты статистического анализа данных (И — кол-во точек, А и В — оценки коэфф. уравнения линейной регрессии, Я2 - коэфф. детерминации)

Район Период N А/год В R2

Гренфьорд 1912-2009 27 0,021±0,005 -37,31 0,33

100 м - дно 1912-2009 53 0,019±0,004 -34,29 0,28

Исфьорд 100-200 м 1912-2009 51 0,023±0,006 -42,61 0,34

200 м - дно 1912-2009 51 0,015±0,004 -26,26 0,18

На рисунке 5 б, в дополнение к графику изменчивости максимальной температуры в заливе Исфьорд, представлены его «производные» - временные ряды максимальной температуры в промежуточном слое 100-200 м и придонном слое глубже 200 м. Подобное деление обусловлено желанием разделить вклад более динамичных промежуточных слоев воды (< 200 м), которые могут эпизодически заполняться АВ, поступающими из прилегающих к архипелагу районов шельфа, и придонных слоев воды в центральной, глубоководной части Исфьорда, которые могут быть заполнены АВ в течение нескольких месяцев и даже лет (Швеи й а1., 2008).

Для различных глубин в Исфьорде линейные тенденции потепления отличаются друг от друга. Глубже 200 м линейный тренд составил -0,15 °С/ десятилетие, что меньше, чем оценка, полученная для всего диапазона глубин. В то же время, для глубин 100-200 м тенденция составила -0,23 "С/десятилетие. Эта оценка указывает на величину максимального потепления, которое наблюдалось в промежуточном слое залива Исфьорд, и еще раз подчеркивает значимость общего потепления в водах Западного Шпицбергена.

В разделе 5.2 обсуждаются механизмы, ответственные за адвекцию АВ на шельф и во фьорды Западного Шпицбергена. Сделана попытка объяснить выявленную изменчивость. Предложена гипотеза о существовании статистической связи между распределением температуры в заливах Западного Шпицбергена и эффектом совместного влияния температуры АВ в ядре ЗШТ и градиентом приземного атмосферного давления в районе стрежня ЗШТ в масштабах нескольких лет. Было предложено уравнение множественной регрессии (уравнение 6), описывающее максимальную температуру в промежуточном и придонном слоях в заливе Исфьорд за период 1977-2009 гг. В качестве предикторов выступили средняя температура в ядре ЗШТ и перепад приземного атмосферного давления вдоль 78 с.ш. в точках 0 и 15 в.д (ДПАД78).

Тмакс Исфьорд = Ах Тзшт + В х ДПАД78 + С (6)

где А и В коэффициенты уравнения регрессии, С — свободный член уравнения регрессии.

Графические результаты расчетов представлены на рис. 6. В целом, предсказанные по модели значения температуры неплохо описывают натурные

данные с коэффициентом множественной корреляции, Я = 0,6. В тоже время, модель не полностью описывает амплитуду отдельных пиков в распределении максимальной температуры в заливе Исфьорд, например, после 2005 г. Оба коэффициента множественной регрессии (А и В) оказались статистически значимыми. Чтобы оценить, какая из двух переменных вносит больший вклад в определение величины максимальной температуры в заливе Исфьорд, были рассчитаны, так называемые, бета-коэффициенты фЛ и рв) уравнения регрессии. Результаты расчетов показали, что оценки бета-коэффициентов оказались близки между собой с несколько большим вкладом переменной, ответственной за атмосферное воздействие (0,38 и 0,40, соответственно).

да а

го

а.

с.

Исфьорд

макс

2010

Рисунок 6 - Сравнение наблюденных и рассчитанных значений максимальной температуры в заливе Исфьорд по регрессионной модели для периода 1977-2009

гг.

Примечание: 1 - Наблюдения; 2 - Модельные расчеты; 3 - Дов. интервалы.

Дополнительно подобная регрессионная модель была применена для разделенных данных максимальной температуры АВ в заливе Исфьорд: для придонного (> 200 м) и промежуточного (100-200 м) слоев. Для промежуточного слоя только значение рв (вклад атмосферного форсинга) оказалось статистически значимым, в то время как для глубин более 200 м, оказалась значимой только величина рЛ (вклад сигнала ЗШТ). Полученные результаты, в рамках модельной постановки, подчеркивают потенциальную значимость атмосферного форсинга, и применимость предложенного статистического подхода.

Таким образом, предложенная простая и физически ясная статистическая модель, построенная на основе данных о средней температуре в ядре ЗШТ и перепаде атмосферного давления на уровне моря вдоль 78° с.ш., позволила интерпретировать наблюдаемую изменчивость температуры воды во фьордах Западного Шпицбергена, на примере залива Исфьорд. Показано, что в масштабе нескольких лет существует статистически значимая зависимость между

температурными условиями в заливах Западного Шпицбергена и эффектом совместного влияния внешних факторов, таких как температура АВ в ядре ЗШТ и градиентом приземного атмосферного давления в районе стрежня ЗШТ.

Предполагается, что предложенный подход может быть использован в будущих исследованиях с большим успехом при наличии и использовании более однородных данных о температуре вод в Заливах Западного Шпицбергена, а также данных географически более близкого разреза в пределах ядра ЗШТ.

Основные результаты исследования

1) Впервые получены новые оценки характеристик пространственно-временной изменчивости оптических свойств поверхностных вод во фьордах Западного Шпицбергена и прилегающей акватории пролива Фрама, обусловленные спектральными свойствами поглощения солнечной радиации желтым веществом и взвесью. Установлена возможность выделения типов водных масс по характеристикам спектрального поглощения желтым веществом в диапазоне длин волн 350-400 нм;

2) Установлены закономерности процессов ослабления подводной спектральной облученности в водах Западного Шпицбергена и прилегающей акватории пролива Фрама. Выявлено подобие перераспределения подводной радиации и радиационного прогрева в районах Восточно-Гренландского (ВГТ) и Западно-Шпицбергенского течений (ЗШТ) в диапазоне ФАР и их различие в УФ диапазоне;

3) Предложена модель для оценки радиационного прогрева поверхностных вод на основе данных натурных наблюдений о спектрах поглощения желтым веществом и взвесью. На ее основе получены оценки потенциального радиационного прогрева поверхностного слоя в заливах Исфьорд и Конгсфьорд, и районах ЗШТ и ВГТ;

4) Установлены статистически значимые тенденции увеличения температуры Атлантических вод (АВ) в промежуточном и придонном слоях за период 19122009 гг. для заливов Исфьорд и Гренфьорд;

5) Установлена статистически значимая связь между температурными условиями в заливах Западного Шпицбергена и эффектом совместного влияния температуры АВ в ядре ЗШТ и градиентом приземного атмосферного давления в районе стрежня ЗШТ. Полученное соотношение между этими параметрами может быть использовано для количественной оценки температуры воды во фьордах архипелага Шпицберген.

Публикации автора в периодических изданиях, рекомендованных ВАК

1) Б.В. Иванов, А.К. Павлов, П.И. Ситдиков. Относительная прозрачность воды в заливе Грен-фьорд (арх. Шпицберген) // Проблемы Арктики и Антарктики. - 2011. - №3(89). - С. 62-68.

2) А.К. Павлов, Б.В. Иванов, Д.М. Журавский, М.А. Гранског, К.А. Стедмон. Об особенностях спектрального поглощения подводной облученности в проливе Фрама // Проблемы Арктики и Антарктики. - 2011. - №1 (87). - С. 81-87.

3) А.К. Павлов, Б.В. Иванов, Д.М. Журавский, В. Тверберг. Потепление в заливах Западного Шпицбергена: кратковременное явление или устойчивая тенденция? // Проблемы Арктики и Антарктики. - 2010. - №3 (86). - С. 70-78.

Другие публикации по теме диссертации

4) А.К. Павлов, Б.В. Иванов. Потепление атлантических вод во фьордах арх. Шпицберген в XX столетии // Тезисы докладов Международной научной конференции «Глобальные климатические процессы и их влияние на экосистемы арктических и субарктических регионов», 9-11 ноября 2011г. Апатиты, 2011. С. 144.

5) А.К. Pavlov, М. Granskog, B.V. Ivanov, V. Tverberg, S. Falk-Petersen. Relationship of light attenuation to water masses, organic matter and chlorophyll in Svalbard waters // Book of abstracts of the Arctic Frontiers Conference, 26-28 January, 2011. Tromso, Norway, 2011. P. 168.

6) A.K. Pavlov, B. Ivanov, V. Tverberg, M. Granskog, S. Falk-Petersen. Optical properties of surface layer in West Spitsbergen waters and Fram Strait // Book of abstracts of the Arctic Frontiers Conference, 24-29 January 2010. Tromso, Norway, 2010. P. 196.

7) A.K. Pavlov, B. Ivanov, P. Wassmann, S. Falk-Petersen, E. Hegseth, K. Sperre & H. Svendsen. Seawater optical properties in West Spitsbergen coastal waters // Book of abstracts of the Arctic Science Summit Week 2009 (ASSW '09), 24-26 March, 2009. Bergen, Norway, 2009. P. 65.

8) A.K. Pavlov, B. Ivanov, P. Wassmann, S. Falk-Petersen, E. Hegseth, K. Sperre & H. Svendsen. Seawater optical properties in West Spitsbergen fjords and Fram Strait // Book of abstracts of the Arctic Frontiers Conference, 21-23 January, 2009. Tromso, Norway, 2009. P. 71.

9) Б.В. Иванов, A.K. Павлов, И.-Б. Орбек. Исследование концентрации взвешенных частиц в заливе Конгсфьорд, арх. Шпицберген // Сборник материалов 7-ой международной конференции «Комплексные исследования природы Шпицбергена», 31 октября - 1 ноября 2007 г. Апатиты, 2007. С. 156-164.

Подписано в печать 21.11.2011 Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ 627

Отпечатано в типографии «Адмирал» 199048, Санкт-Петербург, В.О., 6-я линия, д. 59 корпус 1, оф. 40

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Павлов, Алексей Кириллович, Санкт-Петербург

61 12-11/93

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЭКОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ АРКТИЧЕСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Павлов Алексей Кириллович

ФОРМИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВОД ЗАЛИВОВ ЗАПАДНОГО ШПИЦБЕРГЕНА

Специальность 25.00.28 - океанология Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель Кандидат географических наук, Б.В. Иванов

Санкт-Петербург - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений 5

Введение 7

1 Физико-географическая характеристика архипелага Шпицберген и формирование океанографических условий его вод 13

1.1 Физико-географическое описание района исследований 13

1.2 Формирование океанографических условий в заливах Западного Шпицбергена и прилегающей акватории пролива Фрама 19

1.3 Оптические свойства вод, как первичный фактор, обуславливающий термический режим поверхностного слоя моря 25

1.3.1 Первичные гидрооптические характеристики 2 5

1.3.2 Вторичные гидрооптические характеристики 29

1.3.3 Факторы, определяющие оптические свойства морской воды 31

1.4 Характеристика оптических свойств в водах пролива Фрама и Западного Шпицбергена 39

2 Материалы и методы исследования 44

2.1 Данные гидрооптических измерений 44

2.1.1 Методы измерений гидрооптических свойств морской воды «in

situ» 44

2.1.2 Лабораторные методы исследований гидрооптических свойств морской воды 46

2.2 Методы типизации водных масс в районе исследований с использованием гидрооптических свойств 48

2.3 Методика расчетов перераспределения солнечной радиации и потенциального радиационного прогрева в поверхностном слое моря 49

2.4 Сбор, обработка и критический анализ исторических океанографических данных 52

2.5 Критический анализ и выбор данных реанализа ERA 40 и ERA Interim 58

3 Гидрооптические свойства поверхностных вод в районе арх. Шпицберген 63

3.1 Описание пространственного распределения гидрооптических характеристик в водах арх. Шпицберген 63

3.1.1 Пространственное распределение желтого вещества и взвеси в

проливе Фрама к западу от арх. Шпицберген 63

3.1.2 Пространственное распределение гидрооптических характеристик в летне-осенний период в заливах Западного Шпицбергена и прилегающих районах шельфа 69

3.1.3 Особенности вертикального распределения желтого вещества и подводной облученности в заливе Гренфьорд подо льдом в весенний

период 72

3.1.4 Особенности распределения хлорофилла и подводной облученности в заливе Биллефьорд в весенний период 76

3.2 Исследования местной продукции желтого вещества в весенне-

летний период во время пика цветения фитопланктона 81

3.3 Совместное рассмотрение термохалинных и гидрооптических характеристик в водах фьордов Западного Шпицбергена и прилегающей акватории пролива Фрама 86

3.3.1 Типизация водных масс на основе данных о спектрах поглощения желтым веществом и взвесью в проливе Фрама 86

3.3.2 Типизация водных масс во фьордах и на шельфе Западного Шпицбергена на основе данных о спектре поглощения желтым

веществом 93

3.4 Исследование межгодовой изменчивости относительной

прозрачности вод залива Гренфьорд 100

4 Оценка радиационного прогрева поверхностного слоя в водах

Западного Шпицбергена 108

4.1 Закономерности поглощения солнечной радиации в поверхностных водах Западного Шпицбергена и прилегающей акватории пролива Фрама 108

4.1.1 Особенности спектрального поглощения подводной облученности в водах арх. Шпицберген 108

4.1.2 Особенности спектрального поглощения подводной облученности в водах Атлантического и Арктического происхождения 114

4.2 Расчет проникающей солнечной радиации в поверхностных водах Западного Шпицбергена и на прилегающей акватории пролива Фрама 116

4.3 Оценка радиационного прогрева поверхностного слоя моря на основе полученных гидрооптических характеристик 120 5 Изменчивость термического режима промежуточных и придонных вод Западного Шпицбергена 131

5.1 Анализ временных рядов максимальных температур Атлантических

вод в заливах Исфьорд и Гренфьорд 131

5.2 Применение модели множественной линейной регрессии для анализа наблюдаемой изменчивости температуры Атлантических вод в заливе Исфьорд 137 Заключение 143 Список использованных источников 146

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АБ - Арктический бассейн

АФ - Арктический фронт

ВГТ - Восточно-Гренландское течение

ЗШТ - Западно-Шпицбергенское течение

ПФ - Полярный фронт

СЛО - Северный Ледовитый океан

6 3 1

8у-Свердруп, Юме" X - длина волны, нм

Асбом(^) _ оптическая плотность желтого вещества (СБОМ), безразм. АР(А,) - оптическая плотность взвешенного вещества, безразм. аСБом(Л) - спектральный коэффициент поглощения желтым веществом (СБОМ), м"1

ар(Х) - спектральный коэффициент поглощения взвешенным веществом, м'1

- спектральный коэффициент поглощения чистой водой, м"1

- спектральный коэффициент рассеяния чистой водой, м"1 V - объем профильтрованной пробы, м

Ь - длина кюветы спектрофотометра, м

а — альбедо поверхности моря, безразм.

Ср-удельная теплоемкость морской воды, 4100 Дж кг"1 К"1

ъ — глубина

|3(Х) -«бета коррекция», безразм.

-з

р — плотность морской воды, кг м

(А,) - спектральный показатель ослабления подводной облученности, м"1

■2

Е2 (А) - спектральная облученность сверху на глубине г, Вт м" нм"

2 1

£д" (Я) - спектральная облученность сверху над поверхностью моря, Вт м" нм"

-2 -1

Ео (/0 - спектральная облученность сверху под поверхностью моря, Вт м" нм"

-2 -1

Е-(0) - полный поток облученности под поверхностью моря, Вт м" нм"

2 -1

Еп(г) - полный поток облученности на глубине 2, Вт м" нм"

АЕ - (потенциальный) радиационный прогрев в единицу времени, К с"1 ДТ - (потенциальный) радиационный прогрев, К U - зональная составляющая скорости ветра, м с"1 V - меридиональная составляющая скорости ветра, м с"1 Т - температура морской воды, К

S - соленость морской воды, %о (пшс, практическая шкала солености)

ФД) - спектральная мощность излучения, Вт нм"1

А(Х) - коэффициент поглощения потока излучения, безразм.

В Я) - коэффициент рассеяния потока излучения, безразм.

T(>t) - коэффициент пропускания потока излучения, безразм.

2 1

L(^) - спектральная энергетическая яркость, Вт м ср R(>v) - спектральный коэффициент отражения, безразм.

AOPs - Apparent Optical Properties / Вторичные Оптические Свойства вод CDOM - Coloured (Chromophoric) Dissolved Organic Matter / Желтое вещество ICES - International Council for Exploration of the Sea IOPs - Inherent Optical Properties / Первичные Оптические Свойства вод NAP - Non-Algal Particles / Детрит

NSTM - Near Surface Temperature Maximum / Подповерхностный максимум температуры

RHR - Radiant Heating Rate / Радиационный прогрев в единицу времени

ВВЕДЕНИЕ

Период времени, включающий в себя последнее десятилетие XX и начало XXI столетия, ознаменовался заметными изменениями в климатической системе на нашей планете. Вследствие совокупного влияния механизмов положительных и обратных связей, в полярных районах Земли наблюдаются наиболее заметные проявления климатических изменений или т.н. «полярное усиление глобального потепления». Арктика - регион, где наблюдается одно из самых значительных потеплений на планете в последнее десятилетие, что выражено не только в повышении приземной температуры воздуха, но и в изменении ледяного покрова (сокращение площади и толщины многолетних льдов, усилении скорости дрейфа, увеличении торосистости). Потепление в Арктике обусловлено как крупномасштабным взаимодействием океана и атмосферы, так и поступлением тепла с атлантическими водами. В этой связи, являясь единственным глубоководным проливом между Субарктикой и Арктическим бассейном (АБ), пролив Фрама является ключевым звеном для понимания роли океанографических процессов. Через его восточную часть проходит Западно-Шпицбергенское течение (ЗШТ) - одна из ветвей СевероАтлантического течения, несущего теплые воды во внутренние районы АБ. Одновременно, Восточно-Гренландское течение (ВГТ) является основным источником выноса льда и распресненных вод из АБ.

Таким образом, изменение океанографических процессов в непосредственной близости от ядра ЗШТ - шельфе архипелага Шпицберген и его заливах (фьордах), могут рассматриваться как значимые и репрезентативные показатели изменений климатического сигнала, распространяющегося в АБ посредством атлантических вод. Региональный океанографический и термический режимы заливов острова Западный Шпицберген, и как следствие метеорологические условия прилегающих районов, во многом определяются взаимодействием вод Атлантического происхождения с баренцевоморскими водами, распространяющимися на север

вдоль узкой полосы континентального шельфа, а также с водами местного происхождения.

На фоне изменений океанографических условий в Северном Ледовитом океане (СЛО) в целом и исследуемом районе в частности, большое значение приобретают процессы перераспределения солнечной радиации и радиационный прогрев в поверхностном слое океана. Спектральное поглощение и характер перераспределения солнечной радиации в водной толще определяет множество физических, биогеохимических и биологических процессов. В целом, принимая во внимание важность и актуальность проблемы, стоит отметить, что в настоящее время прямые и косвенные наблюдения за гидрооптическими (радиационными) характеристиками вод СЛО достаточно редки по сравнению с другими частями Мирового Океана. Это обусловлено рядом объективных причин, таких как тяжелые ледовые условия и короткая продолжительность светового периода в году.

Выполненные исследования во многом вызваны прикладными и междисциплинарными интересами, лежащими на стыке гидробиологических и экосистемных исследований фьордов архипелага Шпицберген и прилегающих вод. Основное внимание в работе уделено анализу гидрооптических характеристик, их связи с распределением водных масс, их пространственно-временной изменчивости, вкладу различных составляющих (растворенное и взвешенное вещество) в суммарное поглощение и радиационный прогрев, и как следствие формированию термического режима поверхностных вод заливов Западного Шпицбергена и прилегающей акватории пролива Фрама. Также в работе исследована временная изменчивость температуры промежуточных и придонных вод фьордов и ее связь с адвекцией вод атлантического происхождения в заливы Западного Шпицбергена.

В диссертационной работе основной целью являлось выявление и анализ закономерностей и особенностей формирования термического режима вод в заливах Западного Шпицбергена.

В соответствии с поставленной целью, решались следующие задачи:

Научная новизна работы заключается в следующем:

2) Выполнена оценка проникновения солнечной радиации и потенциального радиационного прогрева поверхностного слоя моря с учетом выявленного распределения и спектральных свойств гидрооптических характеристик;

3) Сформирован и проанализирован архив данных о вертикальном распределении температуры и солености воды в заливах Исфьорд и Гренфьорд за период 1912-2009 гг.;

4) Выявлены особенности многолетней изменчивости температуры Атлантических вод (АВ) в промежуточном и придонном слоях в заливах Исфьорд и Гренфьорд, и предложено регрессионное соотношение, количественно описывающее механизм формирования наблюдаемой изменчивости.

Сведения о пространственно-временном распределении оптических свойств поверхностных вод являются потенциальной основой для расчета биологической продуктивности и математического моделирования морских экосистем в данном районе, а также являются важной информацией для уточнения региональных алгоритмов расчета концентраций хлорофилла по данным спутниковых измерений. Полученные оценки многолетней изменчивости температуры в промежуточном и придонном слоях в заливах Западного Шпицбергена являются основой для проведения сравнительных гидробиологических и экосистемных исследований в данном регионе в дальнейшем. Предложенные и описанные механизмы изменчивости температуры в промежуточном и придонном слоях вносят вклад в общее понимание процессов взаимодействия между ЗШТ и прибрежными водами Западного Шпицбергена.

На защиту выносятся следующие основные результаты, полученные в ходе выполнения работы:

2) Оценки потенциального радиационного прогрева поверхностного слоя моря на исследуемой акватории;

Значительное место в работе занимает описание сбора и анализа

материалов натурных измерений, а также лабораторный анализ собранных

материалов. Личный вклад автора заключается в следующем:

1) Непосредственное участие в проведении океанографических и гидрооптических наблюдений в рамках девяти экспедиций на арх. Шпицберген (как с борта научно-исследовательских судов, так и с припайного льда фьордов), включая первые в отечественной практике работы на архипелаге Шпицберген, в ходе которых проводились измерения оптических свойств вод «ш situ» с помощью новейшего спектрального оборудования;

2) Сбор и анализ архивных океанографических данных для заливов Гренфьорд и Исфьорд;

4) Обработка экспедиционных данных и данных лабораторных измерений, а также разработка оригинальных алгоритмов и программного обеспечения (в среде MatLab) для расчетов перераспределения солнечной радиации и радиационного прогрева поверхностного слоя моря.

Основные результаты докладывались и обсуждались на секциях Ученого совета ААНИИ, семинарах отдела взаимодействия океана и атмосферы и семинарах совместной российско-норвежской лаборатории по исследованию климата Арктики им. «Фрама» (2009-2011гг.), были представлены на российских и международных научных конференциях:

1) Arctic Science Summit Week (г. Берген, Норвегия, 2009 г. и Сеул, Южная Корея, 2011 г.);

2) Arctic Frontiers Conference (г. Тромсе, Норвегия, 2009, 2010, 2011

гг.);

3) IPY Oslo Science Conference (г. Осло, Норвегия, 2010г.);

4) Комплексные исследования природы архипелага Шпицберген (г. Мурманск, Россия, 2008, 2010, 2011 гг.);

5) Международная научная конференция «Морские исследования полярных областей Земли в период Международного Полярного года 2007/2008» (г. Санкт-Петербург, Россия, 2010 г.)

В сумме, по теме диссертации опубликованы 9 работ, в том числе три публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК. Кроме того, на момент защиты диссертационной работы, одна статья принята к публикации в редакции зарубежного журнала, который также включен в список ВАК (Polar Research).

1 ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АРХИПЕЛАГА ШПИЦБЕРГЕН И ФОРМИРОВАНИЕ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЕГО ВОД

1.1 Физико-географическое описание района исследований

Архипелаг Шпицберген. Архипелаг Шпицберген - один из крупнейших полярных архипелагов, расположен в СЛО, между 76°26' и 80°50' северной широты и 10° и 32° восточной долготы. Общая площадь архипелага равна 64 тыс. км2. Самыми крупными �

Информация о работе

Павлов, Алексей Кириллович
кандидата географических наук
Санкт-Петербург, 2011
ВАК 25.00.28

Диссертация

Формирование термического режима вод заливов Западного Шпицбергена - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему Формирование термического режима вод заливов Западного Шпицбергена ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Формирование термического режима вод заливов Западного Шпицбергена"

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Павлов, Алексей Кириллович, Санкт-Петербург

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Формирование термического режима вод заливов Западного Шпицбергена
ВАК РФ 25.00.28, Океанология